토양 코어 Lysimeters를 수집 및 구축을위한 프로토콜
Summary
A detailed method for extraction and assembly of intact soil core lysimeters and their use for study of leachate and associated loss of nutrients from surface applied poultry litter is demonstrated.
Abstract
Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the landscape has complex and varied soil morphology, an accompanying disparity in flow paths for leachate through the soil macropore and matrix structure is present. The rate of flow through these paths is further affected by antecedent soil moisture. Lysimeters are used to quantify flow rate, volume of water and concentration of nutrients leaching downward through soils. While many lysimeter designs exist, accurately determining the volume of water and mass balance of nutrients is best accomplished with bounded lysimeters that leave the natural soil structure intact.
Here we present a detailed method for the extraction and construction of soil core lysimeters equipped with soil moisture sensors at 5 cm and 25 cm depths. Lysimeters from four different Coastal Plain soils (Bojac, Evesboro, Quindocqua and Sassafras) were collected on the Delmarva Peninsula and moved to an indoor climate controlled facility. Soils were irrigated once weekly with the equivalent of 2 cm of rainfall to draw down soil nitrate-N concentrations. At the end of the draw down period, poultry litter was applied (162 kg TN ha-1) and leaching was resumed for an additional five weeks. Total recovery of applied irrigation water varied from 71% to 85%. Nitrate-N concentration varied over the course of the study from an average of 27.1 mg L-1 before litter application to 40.3 mg L-1 following litter application. While greatest flux of nutrients was measured in soils dominated by coarse sand (Sassafras) the greatest immediate flux occurred from the finest textured soil with pronounced macropore development (Quindocqua).
Introduction
델마 바 반도는 체사 피크 만의 동부 해안 국경, 미국에서 가장 큰 가금류 생산 지역 중 하나에 가정이다. 대략 6 억 닭과 비료의 약 750,000t는이 새 매년 1의 생산에서 생성됩니다. 분뇨의 대부분은 농업 분야에서 비료 개정 로컬로 사용된다. 때문에 비료 응용 프로그램의 역사적으로 높은 비율로, 질소, 인 등의 영양 성분이 토양에 축적 및 지하 침출 (2)을 통해 오프 사이트 손실 지금 취약했다. 지하수 흐름의 대부분은 궁극적으로 체사 피크 만 3 배수 도랑의 광범위한 네트워크에 관한 것이다. 베이에 전달되는 영양소는 부영양화 4에 의한 베이의 건강의 감소로 연결됩니다.
영양소의 오프 사이트 손실과 연결 영양 관리는 수문을 모니터링하는 전문 도구가 필요흐름과 관련된 영양소 전송. Lysimeters 특성화 토양을 통해 영양소의 이동을 정량화하는 데 사용되는기구의 주요 카테고리를 나타낸다. Lysimeters이되도록 토양 매트릭스 가능성에 대응하기 위해 조정할 수 있습니다 장력 lysimeters에서, 물 5-7 관류에 모니터링 영양소 흐름에서 사용의 오랜 역사를 가지고 그들이 더 나은 추정 공장 가능한 물, 프로세스의 더 대표 제로 인장 lysimeters에 무료 배수 중에 발생. 모든 방법이 존재 고유의 편견을 lysimetery합니다. 예를 들어, 일부 lysimeters 완전히 자연 토양에서 공간적으로 복잡한 공정을 나타내는 너무 작거나 이종 통 (8)의 좋은 통계 복제를 제공하기에는 너무 크고 비싸다. 또한, 팬 lysimeters은 그들 위에 토양 침출수를 수집 포화 매트릭스 흐름 (9) 측정에서 긴장 lysimeters에 비해 비효율적 할 필요합니다.
폐쇄 모형 매립 시스템,이러한 (또한 토양 모노리스 lysimeters라고도 함) 제로 긴장 토양 코어 lysimeters로 크게 물 예산과 관련된 오염 물질 예산 (예를 들어, 영양 예산) (10)를 수행하는과 자신감을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 lysimeters은 토양 그대로 코어가 포함되어있는 경우 가장 대표적인; 재 포장 토양 가득 lysimeters는 용질과 미립자 화합물 모두 11, 12의 전송에 영향을 원래의 구조, 시야 및 거대 연결을 유지하지 않습니다. 실험 스탠드 포인트로부터, 교란 토양 조건보다 복제를 용이하게 접근은 토양의 물리적 및 화학적 특성 (13)에 존재하는 고유의 공간적 변동 주어진 유리하다.
두 바람직한 방법은 그대로 토양 코어 lysimeters를 수집하는 데 사용되었습니다 드롭 망치와 절단 헤드. 이 썰매 햄 등의 간단한 장치로 달성 될 수있는 전자는 더 일반적으로, 수행 된메르 (작은 lysimeters). 적절하게 수행하면 낙하 해머로 토양 코어 수집은 비교적 다른 코어 링 기술과 비교할 때, 특히 비용 효과적인 것으로 밝혀졌다. 그러나 지상에 모형 매립 케이스의 구동에 의해 부과되는 깎아 지른듯한 힘은 기본 토양을 대표하지 않는 모형 매립 내부 조건을 생산, 번짐 및 압축 될 수 있습니다, 심지어 물 운동 (예를 들어, 바이 패스 흐름의 특정 유형을 선호, 또는를 따라 흐를 수있다 토양 코어 에지). 그 결과, 일부 연구자들은 드릴링 장치 또는 다른 굴삭 장치 (5)와 온전한 토양 절결 corers의 사용을 선호하고있다.
다양한 물질이 토양 코어 lysimeters 용 포장재로서 사용되어왔다. 강관 박스 및 비교적 낮은 비용, 내구성이 용이하게 가능하고 그들의 강도에 큰 14-17 lysimeters를 수집하는데 사용될 수있다. 그러나 동안 스틸 REL의 침출을 평가 만족atively 반응성 화합물 등의 질산으로, 강철의 철 인산염과 반응하기 때문에 코팅해야하거나 인 침출의 연구 치료. 큰 직경 토양 코어가 획득 될 때 일반적으로, 플라스틱 케이스가 같은 두꺼운 벽 (사용 된 경우) 낙하 해머의 충격을 견딜 수 (일정 80) PVC 파이프 등 인 침출 공부와 그 구조를 유지하는 데 사용된다 (예 ≥30 cm) 18-22.
일반적으로 토양 코어 lysimeters은 전 현장을 분석한다. 일단 토양을 둘러싼 이상 접지 기후는 자연 현장 조건을 나타내며 토양 코어 lysimeters가 야외 "모형 매립 농장"에 설치 될 수 있으며, 수집. 예를 들어, 스웨덴, 스웨덴 농업 대학은 30cm 직경 INTA를 확장 할 수 있습니다 농약 운명 및 운반, 장기 토양 비옥도 시험 및 관리 사례를 분석, 지난 3 년 동안 별도의 세 가지 모형 매립 농장을 유지하고있다CT는 23 코어. 토양 코어 lysimeters은 기후 조건 (24, 25)보다 강력하게 제어가 실내 침출 실험을 실시하고있다. 리우 등 알. 정기적으로 캐치의 배열 (26) 작물에서 토양 코어 lysimeters를 관개하기 위해 강우량 시뮬레이터를 사용했다. 키벳과 군 모두 사용 손 세척 기술은 토양 코어 27, 28을 통해 비소 및 영양 침출을 연구한다.
edaphic 및 수문 다양한 공정이 토양 코어 lysimeters로부터 추론 될 수있다. 군 외. (2015) 요소 응용 프로그램 (28) 후 질소 침출을 조사하기 위해 30cm 직경 PVC 열 lysimeters을 사용했다. 관개 이벤트에 후속 상이한 시간 간격 침출수를 수집하여, 이들은 거대 흐름을 지배하는 것으로 가정 이전에 신속하고 점진적인 흐름을 구별 할 수 있었다하고, 이후 매트릭스의 흐름을 지배하는 것으로 가정. 요소는 쉽게 접촉 위스콘신에 때 가수 분해되기 때문에제 토양 이들은 토양 매트릭스를 우회 거대 전송 증거로서 우레아 애플리케이션 직후 수집 침출수 상승 우레아 농도의 존재를 해석했다. 시간이 지남에, 그들은 초기 가수 분해 후 암모늄에 적용 요소의 변화를 추적, 침출수 질소의 다른 형태의 높은 농도를 감지 한 후 암모늄의 변화는 질화와 질산염.
설계, 실시 및 토양 핵심 모형 매립 실험을 해석 고려 사항을 설명하기 위해, 우리는 미국의 중간 대서양 해안 평야에서 발견 된 네 가지 토양 조사를 실시했다. 이 연구 측정 침출 농도 전에 건조 가금류 분뇨 (즉, 가금류 "쓰레기") (28)의 신청 후 질산의 손실. 토양에 가금류 쓰레기의 응용 프로그램에서 영양 손실은 키 체사 피크 만의 건강에 대한 관심 및 적용의 상호 작용을 이해하다가금류 쓰레기 및 농업 토양 특성은 영양 관리 권장 사항을 개선하기 위해 필요하다. 우리는 여기에 그대로 토양 코어 lysimeters를 추출 토양 수분을 추적,이 토양에서 차동 질산 침출 손실을 해석하기위한 구체적인 방법을 제시한다.
이 실험은 델마 바 반도, 미국 27, 28의 농업 토양에서 양분 침출을 평가하기 위해 실시 더 큰 연구의 일부입니다. 2010 년은 여기에 우리가이 연구에서 게시되지 않은 결과를 발표 토양 코어 lysimeters은 델라웨어, 메릴랜드와 버지니아에있는 사이트에서 수집 하였다. 초기 실험 논문 인 토양에서 침출 질산 침출을 평가하기 위해 수행되었다하더라도 역시 모니터링 하였다.
체사 피크 베이 유역의 대서양 해안 평야에서 4 공통 농업 토양 샘플링했다 : Bojac (거친 롬, 혼합, semiactive, THERMIC Typic Hapludult을); Evesboro (mesic, Lamell 코팅IC Quartzipsamment); Quindocqua (미세 롬, 혼합, 활성, mesic Typic Endoaquult); 사사 프라스 (미세 롬, 규산, semiactive, mesic Typic Hapludult). 각 토양의 경우, 수평선의 형태는 열 (표 1)의 발굴에 의해 노출 된 프로필에서 기술되었다. 토양의 표면 질감 (Bojac 및 사사 프라스가) (Quindocqua를) 양토를 미사에 고운 모래 / 모래 양토을 옥토 질의하는 모래 (Evesboro)에서였다. 모든 토양이 역사적으로 가금류 쓰레기와 함께 수정 된 된했지만, 아무도 연구에 앞서 10 개월 적용되지 있었다. 모든 토양은 이전에 토양의 핵심 모형 매립 컬렉션에 적어도 하나의 시즌 옥수수 생산까지 더-에 없었다.
컬렉션에 이어, 토양 코어 lysimeters는 주립 대학, PA의 USDA-ARS의 simulatorium 시설로 이송되었다. 그곳에서 그들은 가금류 쓰레기 응용 프로그램과 관련된 영양 침출을 평가하는 실내 관개 실험 (22 ~ 26 °의 C)의 대상이되었다. 구체적으로는,여과 액에 질산 토양 사이에 평형 될 때까지 lysimeters 8 주 동안 물 주간의 2cm로 관개했다. 가금류 쓰레기 (건조 가금류 분뇨는) 다음 총 N. 관개 -1 5 주 이상 계속 된 162kg의 헥타르의 비율로 모든 토양의 표면에 적용 하였다. 수분 센서는 관개 침출주기 동안 연속적 오분 간격 부피 수분 함량을 기록 하였다. 침출수는 24 시간 후 수집 및 관개에 다시 칠일 후에 직전되었다.
토양 코어에서 lysimeters 침출수 데이터 전과 도포 후 쓰레기 통 사이 침출수 양과 품질의 차이뿐만 아니라, 차이를 설명하기 위해 간단한 설명적인 통계를 사용하여 분석 하였다. 토양 수분 센서가 각각 토양 두 복제 토양 코어 lysimeters의 배치 되었기 때문에 (Evesboro, Bojac, 사사 프라스, Quindocqua), 토양의 수분 함량에 대한 통계는, N = 2에 기초하여 S 반면했다침출수 깊이 tatistics은, 질산-N 농도 및 질산-N 플럭스는 Evesboro, Bojac 및 사사 프라스와 Quindocqua 5 토양 코어 lysimeters 10 토양 코어 lysimeters에서 파생되었다. 토양 내 복제의 중요성을 평가하기 위해, 침출수 깊이 편차 (CV)의 계수가 다른 복제에 번호를 계산 하였다. (Evesboro, Bojac, 사사 프라스 10; 5 Quindocqua 용) 몬테카를로 시뮬레이션 접근법마다 반복 토양 그룹 내 복제의 총수로부터 토양 코어 lysimeters (N = 3)의 일부를 샘플로 사용 하였다.
Protocol
Representative Results
Discussion
모형 매립 컬렉션의 중요한 단계
침출 연구는 얕은 지하수 질소 손실에 토양 특성 및 비료 관리의 영향을 설명한다. 토양 질감 집합체 구조 및 벌크 밀도와 같은 토양 물성 물과 용질의 퍼콜 중재. 정확하게 침출수 볼륨과 용질 농도를 결정하는 이러한 중요한 단계를 수행하여 모형 매립 수집 중에 이러한 토양의 물리적 특성의 무결성을 유지에 따라 달라집니다 : 1) 모형 매?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors are grateful to the staff of USDA-ARS Pasture Systems and Watershed Management Unit. David Otto was important to both the design and construction of the custom made drop hammer (aka ‘The Intimidator’). Michael Reiner and Terry Troutman assisted in the collection and construction of the lysimeters reported in this study. Sarah Fishel, Charles Montgomery and Paul Spock performed all of the nutrient analyses reported in this manuscript.
Materials
| Schedule 80 PVC Pipe | Fry's Plastic | Call | Sold in 10 ft lengths |
| Fernco Fittings | Fry's Plastic | Call | 12 in. diameter |
| Type II PVC plates for perforated discs | AIN Plastic | Call | Sold in 4' x 8' sheets of PVC II Vintec II |
| Schedule 40 PVC Caps | Fry's Plastic | Call | 12 in. diameter |
| Stainless Steel Screws | Fastenal | 135716 | #8 Bugle Head Phillips Drive Sharp Point Grade 18-8 Stainless Steel |
| Silicone II Caulk | Lowe's | 447488 | |
| Nylon Tube Fitting | United State's Plastic Corp. | 61137 | 0.5 in. NPT |
| Foodgrade Tubing | Lowe's | 443209 | 0.5 in. vinyl |
References
- Patterson, P. H., Lorenz, E. S., Weaver, W. D., Schwart, J. H. Litter production and nutrients from commercial broiler chickens. J. Applied Poultry Res. 7 (3), 247-252 (1998).
- Cullum, R. F. Macropore flow estimations under no-till and till systems. Catena. 78, 87-91 (2009).
- Kladivko, E. J., et al. Nitrate leaching to subsurface drains as affected by drain spacing and changes in crop production systems. J. Environ. Qual. 33, 1803-1813 (2004).
- Persson, L., Bergstrom, L. Drilling method for collection of undisturbed soil monoliths). Soil Sci. Soc. Am. J. 55 (1), 285-287 (1991).
- Belford, R. K. Collection and evaluation of large soil monoliths for soil and crop studies. J. Soil Sci. 30 (2), 363-373 (1979).
- Dell, C. J., Kleinman, P. J. A., Schmidt, J. P., Beegle, D. P. Low disturbance manure incorporation effects on ammonia and nitrate loss. J. Environ. Qual. 41, 928-937 (2012).
- Owens, L. B. Nitrate-nitrogen concentrations in percolate from lysimeters planted to a legume-grass mixture. J. Environ. Qual. 19, 131-135 (1990).
- Zhu, Y., Fox, R. H., Toth, J. D. Leachate collection efficiency of zero-tension pan and passive capillary fiberglass wick lysimeters. Soil Sci. Soc. Am. J. , (2002).
- Jemison, J. M., Fox, R. H. Estimation of zero-tension pan lysimeter collection efficiency. Soil Sci. 154, 85-94 (1992).
- Corwin, D. L. Evaluation of a simple lysimeter-design modification to minimize sidewall flow. J. Contaminant Hydrology. 42 (1), 35-49 (2000).
- Havis, R. N., Alberts, E. E. Nutrient leaching from field decomposed corn and soybean residue under simulated rainfall. Soil Sci. Soc. Am. J. 57, 211-218 (1993).
- Bergstrom, L., Johanssson, R. Leaching of nitrate from monolith lysimeters of different types of agricultural soils. J. Environ. Qual. 20, 801-807 (1991).
- Lotter, D., Seidel, R., Liebhardt, W. The performance of organic and conventional cropping systems in an extreme climate year. Am. J. Alternative Agriculture. 18 (3), 146-154 (2003).
- Moyer, J., Saporito, L., Janke, R. Design, construction, and installation of an intact soil core lysimeter. Agronomy J. 88 (2), 253-256 (1996).
- Stout, W. L., et al. Nitrate leaching from cattle urine and feces in northeast US. Soil Sci. Soc. Am. J. 61, 1787-1794 (1997).
- Stout, W. L., Gburek, W. J., Schnabel, R. R., Folmar, G. J., Weaver, S. R. Soil-climate effects on nitrate leaching from cattle excreta. J. Environ. Qual. 27, 992-998 (1998).
- Kleinman, P. J. A., Srinivasan, M. S., Sharpley, A. N., Gburek, W. J. Phosphorus leaching through intact soil columns before and after poultry manure applications. Soil Sci. 170 (3), 153-166 (2005).
- Kleinman, P. J. A., Sharpley, A. N., Saporito, L. S., Buda, A. R., Bryant, R. B. Application of manure to no-till soils: Phosphorus losses by subsurface and surface pathways. Nutr. Cycling Agroecosyst. 84, 215-227 (2009).
- McDowell, R. W., Sharpley, A. N. Approximating phosphorus release to surface runoff and subsurface drainage. J. Environ. Qual. 30, 508-520 (2001).
- McDowell, R. W., Sharpley, A. N. Phosphorus losses in subsurface flow before and after manure application. Sci. Total Environ. 278, 113-125 (2001).
- Brock, E. H., Ketterings, Q. M., Kleinman, P. J. A. Phosphorus leaching through intact soil cores as influenced by type and duration of manure application. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 77, 269-281 (2007).
- Svanback, A., et al. Influence of soil phosphorus and manure on phosphorus leaching in Swedish topsoils. Nutr. Cycling Agroecosyst. 96, 133-147 (2013).
- Feyereisen, G. W., et al. Effect of direct incorporation of poultry litter on phosphorus leaching from coastal plain soils. J. Soil Water Cons. 65 (4), 243-251 (2010).
- Williams, M. R., et al. Manure application under winter conditions: Nutrient runoff and leachate losses. Trans. ASABE. 54 (3), 891-899 (2011).
- Liu, J., Aronsson, H., Ulén, B., Bergström, L. Potential phosphorus leaching from sandy topsoils with different fertilizer histories before and after application of pig slurry. Soil Use Mgmt. 28, 457-467 (2012).
- Kibet, L. C., et al. Transport of dissolved trace elements in surface runoff and leachate from a coastal plain soil after poultry litter application. J. Soil Water Cons. 68 (3), 212-220 (2013).
- Han, K., et al. Phosphorus and nitrogen leaching before and after tillage and urea application. J. Environ. Qual. 44, 560-571 (2014).
- Day, P. R., Black, C. A. This chapter in Methods of Soil Analysis. Part 1. Physical and Mineralogical Properties, Including Statistics of Measurement and Sampling. American Society of Agronomy, Soil Science Society of America. , (1965).
- Kleinman, P. J. A., et al. Phosphorus leaching from agricultural soils of the Delmarva Peninsula, USA. J. Environ. Qual. 44 (2), 524-534 (2015).
- . Lachat Instruments. Determination of nitrate/nitrite in surface and wastewaters by flow injection analysis. QuickChem Method. , (2003).
